SCIENZA

Nella quinta dimensione vedremo forse quanto è profonda la tana del bianconiglio

Un recente articolo affronta in una nuova prospettiva la questione relativa alla materia oscura. L’estensione del Modello Standard delle particelle a un mondo con una dimensione in più rispetto alle quattro conosciute (tre spaziali e una temporale) potrebbe chiarire in modo elegante alcuni aspetti ancora irrisolti della fisica e della cosmologia


di Emilio Santoro
tempo di lettura: 10 min
QUINTA DIMENSIONE

«Ma allora», disse Alice, «se il mondo non ha assolutamente alcun senso, chi ci impedisce di inventarne uno?»

In un certo qual modo, è ciò che hanno fatto gli autori di un recente e sorprendente articolo pubblicato su The European Physical Journal C (M. Neubert et al. – 
A warped scalar portal to fermionic dark matter – The European Physical Journal C, vol 81, Article number: 58 (2021)), rintracciabile in preprint nel sito arxiv o direttamente in quello della rivista (A warped scalar portal to fermionic dark matter | The European Physical Journal C (EPJ C)), scaricabile in PDF.
Andiamo però con ordine. Dobbiamo prima inquadrare bene l’argomento. Sulla falsariga di ciò che la Tavola Periodica (di scolastica memoria) rappresenta per gli elementi chimici, il Modello Standard colloca e suddivide le particelle elementari in una teoria quantistica che inserisce a sua volta queste ultime in ben determinate famiglie di appartenenza e fornendo, allo stesso tempo, previsioni circa l’esistenza di altre particelle che possano rendere il quadro d’insieme maggiormente completo e coerente. La scoperta del bosone di Higgs, previsto dal Modello e necessario a giustificare la massa di ogni altra particella, è un esempio della bontà e della potenza di questa teoria.
Tutto bene, quindi? Ogni cosa sembrerebbe dunque andare al proprio posto e la fisica avrebbe così esaurito il suo compito di indagine della realtà... No, le cose non stanno così. L’attuale Modello Standard in alcuni aspetti cozza con le verifiche sperimentali e ha certamente bisogno di essere “estesa” alla nuova visione del mondo che si sta pian piano formando e che forse farà germogliare una nuova fisica, ormai invocata da più parti.
Alcune di queste incongruenze sono note da tempo. Una delle più eclatanti è la massa, per quanto piccola, degli elusivi neutrini, massa che il Modello non prevede ma che l’evidenza sperimentale ha ormai dato per acquisita. Un altro aspetto è legato all’antica guerra tra la meccanica quantistica e la relatività generale, la teoria della gravitazione. Delle quattro forze fondamentali che descriverebbero tutte le interazioni del mondo fisico (la forza gravitazionale; la forza nucleare forte che tiene unito il nucleo dell’atomo; la forza nucleare debole che presidia i fenomeni legati al decadimento radioattivo; la forza elettromagnetica che tanto ci aiuta nella vita quotidiana), proprio la forza gravitazionale, quella che sperimentiamo maggiormente a ogni istante e che ci tiene agganciati alla superficie del pianeta, è la forza che il Modello Standard non prende in considerazione.
E non è finita. Collegato a quanto appena detto è il cosiddetto “problema della gerarchia”. Grandi differenze esistono fra le masse delle particelle e grande è la differenza nelle intensità delle quattro forze appena descritte. Quella gravitazionale, che parrebbe essere la più potente, quella che lega il nostro pianeta al suo sole, che genera i buchi neri e che tritura la materia al loro interno, è una forza enormemente più piccola di quella che mantiene unito il nucleo nell’atomo... Quanto? Scrivete “1” e poi una sfilza continua di trentanove zeri... ecco quanto più piccola!
Ne abbiamo ancora da aggiungere, nel nostro “cahier de doléances”. Il Modello Standard prevede che alla nascita dell’universo ci fosse tanta materia quanta antimateria. Beh, inutile dire che di antimateria nel cosmo ce ne sia davvero pochina... per fortuna! Si sa quali immani esplosioni di energia produrrebbe l’interazione materia–antimateria, fino alla completa annichilazione.
Continuando... dovrebbe esistere anche un mondo di particelle “speculari” rispetto a quelle conosciute, al fine di risolvere alcune delle questioni ancora aperte, un mondo che possa inquadrare la realtà dell’infinitamente piccolo in termini di simmetria. Anzi, di “supersimmetria”. Dai risultati degli esperimenti del grande collisore LHC, al momento nulla è pervenuto che possa confermare l’esistenza di questo nuovo mondo.
Ultimo, ma non meno importante, il problema della materia oscura. L’ottantasei percento della materia che è presente nell’universo è composto da materia che non riusciamo a trovare perché sembra non interagire con quella ordinaria, quella di cui siamo fatti noi, i pianeti, le stelle. Una materia invisibile che è un po’ come l’isola che non c’è. Eppure, i suoi effetti gravitazionali paiono essere reali e produrre anomalie. Il Modello Standard non la prevede e non suggerisce quali possano essere le sue particelle costituenti.
La caccia alla o alle particelle fantasma della materia oscura continua, ma ancora non c’è alcuna certezza sulla sua o sulla loro esistenza. Tanto, che per spiegare queste anomalie gravitazionali è stata proposta una modifica della dinamica classica newtoniana (detta teoria MOND) o addirittura postulando l’esistenza di dimensioni aggiuntive (extradimensioni) rispetto alle nostre, dimensioni di cui non abbiamo esperienza diretta perché microscopiche, arrotolate su loro stesse, o per meglio dire “compattificate”.

Il mondo Brana

L’idea delle extradimensioni ha delle conseguenze affascinanti. Una di queste presuppone che il nostro universo a tre dimensioni (più una) sia rappresentabile come una “brana” (parola mutuata dal termine “membrana”) immersa in uno spaziotempo di dimensioni maggiori (il “bulk”). Si suppone inoltre che tre delle quattro forze fondamentali che conosciamo siano “agganciate” a questa brana, presentando ordini di grandezza di intensità confrontabili, mentre la quarta, quella gravitazionale, possa invece sfuggirne e sconfinare nel bulk.
Tale idea spiegherebbe allora perché noi, nel nostro universo, sperimentiamo una “debolezza” intrinseca di questa forza: gran parte di questa si “disperderebbe” nelle extradimensioni. In tale visione, il big bang potrebbe essere spiegato come un “urto” tra la nostra e un’altra brana (altro universo). La conseguenza più importante, per questa caratteristica della forza, è che potremmo subire l’influenza gravitazionale di un’altra brana a noi “vicinissima” ma appartenente ad altre dimensioni. E ciò potrebbe spiegare l’effetto gravitazionale della materia oscura senza bisogno che questa sia realmente presente. Insomma, la materia oscura potrebbe essere l’“ombra gravitazionale” di un altro universo.

Il portale per la Quinta Dimensione

E ora, dopo questa lunga ma necessaria premessa, arriviamo all’articolo citato all’inizio. La teoria da cui trae origine, nata alla fine degli anni ‘90, inseriva il Modello Standard in un mondo a cinque dimensioni per risolvere alcune questioni rimaste in sospeso. Ripresa e sviluppata una ventina di anni più tardi dal gruppo di uno degli autori del recente articolo, questa teoria produceva delle equazioni che prevedevano l’esistenza di una nuova particella, simile al bosone di Higgs ma più pesante, con caratteristiche “materiali”, quindi un componente della famiglia dei cosiddetti fermioni, cui appartengono per esempio i costituenti del nucleo atomico, cioè neutroni e protoni.
La massa di questo nuovo fermione – che avrebbe la facoltà di comunicare fra le varie dimensioni attraverso un “effetto portale” – sarebbe però così grande da non poter essere rilevata nemmeno alle alte energie di un collisore come LHC.
Che valore può avere un’idea, per quanto elegante, se non può essere verificata sperimentalmente? È un po’ lo psicodramma di chi si occupa delle teorie che tentano di unificare i due pilastri della fisica, meccanica quantistica e relatività generale, come ad esempio la cosiddetta teoria delle stringhe: si “gioca” con dimensioni nascoste e con energie che è quasi impossibile riprodurre con la tecnologia attuale.
E allora...? E allora, ecco la scoperta sensazionale pubblicata nell’articolo. L’ulteriore sviluppo della teoria ha mostrato che il fermione “oscuro” proposto avrebbe necessariamente mediato una nuova forza tra le particelle elementari conosciute – appartenenti al nostro universo – e la misteriosa materia oscura, giustificandone anche l’abbondanza nel cosmo. L’esistenza di questo “ponte” offrirebbe la possibilità di cercare fattivamente i costituenti fondamentali della materia oscura attraverso una “deviazione” nelle extradimensioni. Ciò darebbe quindi informazioni fondamentali sullo stato del nostro universo nei suoi istanti iniziali.
Un’idea che potrebbe essere provata sperimentalmente, visto che la mediazione, l’interazione cioè fra materia ordinaria e materia oscura tramite questa nuova particella, avverrebbe con caratteristiche deducibili dalla teoria in modo preciso. E questo rappresenterebbe ben più di una “pistola fumante”.
Ci avviciniamo alla tana del bianconiglio. La riflessione nello specchio del mondo infinitesimo ci svela in tutta la sua sorprendente realtà la struttura dell’intero universo.
La fisica è davvero il Paese delle Meraviglie
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 E Giuliana Conforto Astrofisica e Geofisica